新型高能钝感炸药JBO-9X在较高冲击压力下冲击起爆过程的实验研究

张　涛，谷　岩，赵继波，贺红亮，刘高旻，伍　星

(1. 中国工程物理研究院流体物理研究所，四川绵阳621900； 2. 中国工程物理研究院

总体工程研究所，四川绵阳621900)



新型高能钝感炸药JBO-9X在较高冲击压力下冲击起爆过程的实验研究

张涛1，谷岩1，赵继波1，贺红亮1，刘高旻1，伍星2

(1. 中国工程物理研究院流体物理研究所，四川绵阳621900； 2. 中国工程物理研究院

总体工程研究所，四川绵阳621900)

摘要：采用高速扫描相机和楔形炸药构型，对新型高能钝感炸药JBO-9X的冲击起爆过程进行了实验研究；采用LS-DYNA软件对实验结果进行了数值模拟验证。结果表明，在6.9GPa的入射冲击压力下，JBO-9X炸药的冲击转爆轰时间为1.5μs，冲击到爆轰的距离为7.9mm；当冲击波刚进入炸药时，炸药发生化学反应的比例(λ)为0.2，随着冲击波进入炸药的距离增加，受试炸药中发生化学反应的比例逐步增加。在实验条件下，入射冲击波压力为6.85GPa时，JBO-9X炸药的冲击到爆轰距离为8.0mm。化学反应比例随冲击波进入炸药距离的增长曲线与实验基本相同。

关键词：爆炸力学；JBO-9X；高能钝感炸药；冲击起爆；高速扫描相机；冲击波；LS-DYNA软件

引言

钝感高能炸药在较高冲击压力下的冲击起爆性能和表征方法已成为反导战斗部破片和炸药安定性研究的重要内容，研究炸药的冲击起爆过程对深入了解炸药的起爆机理及提高化爆安全性有非常重要的意义。三氨基三硝基苯(TATB)是常用的高能钝感炸药，研究TATB及以TATB为基炸药的爆轰性能，特别是冲击起爆性能受到国内外学者的重视[1-4]。R. L. Gustavsen等[5]利用组合式电磁粒子速度计对不同初始冲击压力下的TATB基炸药LX-17和PBX9502的波后粒子速度和冲击波/爆轰波速度剖面进行了测量，得到表征两种炸药冲击起爆性能的压力-冲击到爆轰距离的关系，并采用三项式点火增长模型对两种炸药的化学反应过程进行了数值模拟。Viviane Bouyer等[6]采用化爆和激光干涉测速技术研究了TATB基炸药T2和TATB-HMX混合基炸药TX1与LiF窗口的界面粒子速度剖面，从而根据爆轰波波后粒子速度剖面研究了两种炸药的化学反应区结构。夏先贵等[7]采用一级轻气炮作为加载手段，采用锰铜计对TATB基炸药JB-9014与碰撞界面的压力剖面进行了测量，利用瑞利线和产物的雨贡纽曲线相切的办法，确定了JB-9014炸药的SDDT曲线和不同压力下的冲击起爆阈值。Kevin S Vandersall等[8]研究了TATB基炸药RX-03-GO在7~11GPa冲击压力下的冲击到爆轰距离，通过数值模拟对其化学反应率方程的参数进行了标定。

国内外在钝感炸药冲击起爆方面的研究还局限于化学反应率模型及不同初始冲击段压力-冲击到爆轰距离的研究，对于钝感炸药在冲击作用下的化学安定性和表征方法的研究较少。

本研究以一种以TATB为主装药的新型高能钝感炸药JBO-9X为对象，采用高速扫描相机对JBO-9X炸药在较高入射压力下的冲击起爆行为进行了实验研究。获得了入射冲击压力为6.9 GPa时JBO-9X炸药中的化学反应比例随冲击波位置的关系，通过数值模拟对结果进行了验证，提出以化学反应比例作为冲击作用下炸药安定性的表征指标，为研究炸药在冲击作用下的安定性提供参考。

1实验

1.1样品

平面波透镜的主装药为RHT-901，主要成分为RDX/TNT(质量比为60∶40)；传爆药JO-9159以HMX为基， HMX与黏结剂的质量比为95∶5；主装药和受试炸药JBO-9X以TATB为基，含有少量高品质HMX；钨合金为钨镍铁合金。

1.2实验装置及测试方法

实验装置及测试系统如图1所示，实验装置由雷管、平面波透镜、传爆药、主装药、金属衰减层、楔形受试炸药和观察窗口组成。测试系统由计算机控制程序、相机控制单元、电磁快门控制器及高速扫描相机组成。实验装置各部分具体参数如表1所示。

高速扫描相机转速为1.2×105r /min，扫描速度为6mm/μs，时间分辨率为8.3ns，狭缝宽度设置为0.05mm，总记录时间为12μs。

实验过程中，相机控制单元向高压脉冲发生器输出起爆信号，起爆26号雷管，同时向电磁快门控制器输出一路启动信号，并向高速扫描相机输出转镜驱动信号启动相机。26号雷管起爆平面波透镜产生平面冲击波，平面冲击波起爆传爆药并起爆JBO-9X主装药，主装药与钨合金衰减层紧密接触，通过衰减后，冲击波进入JBO-9X楔形受试炸药，楔形受试炸药与观察窗口之间的预留空气隙在冲击波/爆轰波作用下发光，高速扫描相机记录冲击波/爆轰波传播距离与传播时间的迹线，通过迹线分析可以得到冲击转爆轰时间、冲击起爆冲击段冲击波和稳定爆轰段爆轰波的传播速度等信息。

图1　实验装置及测试系统示意图Fig.1　The sketch of experiment set and measuring system

部件材料尺寸/mm密度/(g·mm-3)平面波透镜RHT-901Φ100传爆药JO-9159Φ100×101.840主炸药JBO-9XΦ100×301.905钨合金W-Ni-Fe合金Φ100×6.0819.20受试炸药JBO-9X30°×35×501.905

2结果及分析

2.1冲击波进入受试炸药的运动特性

高速扫描相机的测试结果如图2所示。从图2可以看出，当入射冲击波进入受试楔形炸药后，空气隙开始发光，迹线线宽较窄，经过一段较为明显的加速段(图中迹线颜色较浅，宽度较窄)，冲击波转化为爆轰波，因为有爆轰产物持续发光，所以迹线加粗，爆轰段的迹线斜率保持不变，即爆轰波传播速度保持恒定。对图2所示的测试结果进行数字化分析可以得到冲击段的平均波速(Ds)为5.810mm/μs，爆轰段爆轰波的速度(Dd)为8.019mm/μs。冲击转爆轰的时间为1.5μs，从冲击波进入受试楔形炸药到炸药爆轰，冲击波在传播方向运动的距离为7.9mm。

图2　高速扫描相机测试结果Fig.2　Test result of high speed scanning camera

2.2冲击波进入受试炸药的化学反应比例分析

将高速扫描相机得到的冲击波/爆轰波传播距离随时间的变化曲线对时间进行微分，得到冲击波/爆轰波速度随时间的变化曲线，如图3所示。

图3　受试炸药中冲击波/爆轰波波速与时间的关系曲线Fig.3　The velocity-time curve of shock/detonationwave in the tested explosive

从图3可以看出，进入楔形炸药的冲击波波速为4.15mm/μs，随着时间的增加，冲击波传播速度不断增加，是由于冲击波在楔形炸药中的传播过程中，会有部分受试炸药发生化学分解释放能量，从而使冲击波强度增大，速度加快，冲击波强度增加又会造成受试炸药发生化学反应的比例进一步增多，从而在0~1.5μs出现冲击波加速段，直至1.5μs时受试炸药发生稳定爆轰。

当进入受试炸药的冲击波波速(Ds)为4.15mm/μs时，根据受试炸药的未反应炸药雨贡纽曲线(见式(1))、初始密度及冲击波动量守恒定理(式(2))，计算得到入射冲击压力为6.9GPa。

Ds=1.43+3.10Us

(1)

(2)

式中：Ds为进入受试炸药的冲击波波速，mm/μs；Us为冲击波波后粒子速度，mm/μs；p为进入受试炸药的冲击波压力，GPa；ρ0为受试炸药的初始密度，g/cm3。

化学反应比例(λ)定义为：炸药在冲击过程中释放能量与稳定爆轰时释放能量的比值。当冲击波进入受试炸药后，受试炸药发生化学分解释放能量，其与波后粒子速度(Us)所含动能的关系如式(3)所示[9]，将冲击过程中炸药释放的能量(Qs)和稳定爆轰时炸药释放的能量(QD)分别用波后粒子速度Us和UD表示，得到Qs与QD的关系，既化学反应比例(λ)的表达式，见式(4):

(3)

(4)

式中：Us为炸药发生部分化学反应的波后粒子速度，mm/μs；UD为稳定爆轰时的波后粒子速度，mm/μs；Qs为单位质量炸药发生部分化学反应释放的能量，MJ/g；QD为单位质量炸药发生稳定爆轰时释放的能量，MJ/g；k为炸药化学反应产物的比热比。

根据炸药的分子结构式，炸药发生部分化学反应或完全爆轰后的产物主要包括H2O、CO2、CO、N2、C、O2，而这些产物的等熵指数分别为1.9、4.5、2.85、3.7、3.55、2.45，不同反应比例下各组分质量比有所不同，因此其等熵指数变化较小。部分炸药发生化学反应与理想爆轰状态下二者的(k+1)/(k-1)差异一般小于10%，在炸药的爆轰或爆炸研究中可以认为近似相等。

将式(1)所示受试炸药的未反应炸药雨贡纽曲线代入式(4)，即可得到化学反应比例与冲击波速度的关系式(5)，其中根据图2所示的测试结果进行数字化分析得到JBO-9X的稳定爆轰波波速(DD)为8.019mm/μs。

(5)

根据式(4)和式(5)即可计算得到受试炸药中化学反应比例(λ)与冲击波进入受试炸药距离(x)的关系曲线，如图4所示。由图4可以看出，当入射冲击波压力进入炸药时，λ为0.24，表明JBO-9X炸药在入射冲击波压力下已有部分发生化学反应。冲击波进入炸药的初始阶段(x<5mm)，λ从0.24增至0.45，增长较缓；当x>5mm后，λ值快速增加，在x从5mm增至7.9mm的过程中，λ从0.45增至1，x为7.9mm时发生稳定爆轰。

图4　受试炸药中化学反应比例与冲击波位置的关系曲线Fig.4　Relationship curve between the chemical reactionratio and the shock wave position in the tested explosive

3数值模拟

3.1计算模型

应用三维有限元流体动力学程序ANSYS/LS-DYNA对与本实验相同状态下JBO-9X炸药的冲击起爆过程进行了数值模拟。

二维简化模型如图5所示。其中装置周围采用自由边界。起爆药JO-9159药柱尺寸为Φ100mm×10mm，反应产物的状态方程采用式(6)所示的JWL状态方程[10]；主装药和受试炸药JBO-9X尺寸分别为Φ100mm×30mm和Φ100mm×35mm，化学反应率方程采用式(7)所示的Ignition and growth模型[10]，未反应炸药和产物的状态方程采用式(6)所示的JWL状态方程；衰减层钨合金尺寸为Φ100mm×6mm，采用式(8)所示的GRUNEISEN状态方程[10]。在受试炸药与钨合金衰减层界面0、4、6、8、10、12、14、16、18mm处分别对应设置1~9号虚拟测试点，探测波后粒子的速度剖面。

图5　JBO-9X炸药冲击起爆过程的计算模型Fig.5　The calculation model of the shock initiation process of JBO-9X explosive

JWL状态方程如下

(6)

式中：A、B、C、R1、R2、ω为常数；v为相对体积，v=v1/v0=ρ0/ρ1。

Ignition and growth模型如下

dF/dt=I(1-F)b(ρ/ρ0-1-a)x+

G1(1-F)cFdpy+G2(1-F)eFfpz

(7)

式中：a为临界压缩度，用于限制点火界限，当压缩度大于a，即当冲击波的强度足够强时，炸药达到一定的压缩度时才会发生点火；通常情况下，燃烧项指数y=1,代表爆燃过程，点火和燃烧项的燃烧阶数b=c=2/3，表示向内球形颗粒的燃烧；参数I和x控制点火热点的数量，点火项是冲击波强度和压力持续时间的函数；G1和d控制了点火后热点早期的反应增长；G2和z确定了高压下的反应速率。

GRUNEISEN状态方程(压缩材料)如下

(8)

式中：μ为压缩程度，μ=v/v0；C为物质中的声速；S1、S2、S3为us-up曲线斜率的系数；γ0为GRUNEISEN系数；a为对γ0的一阶修正；P为压力，ρ0为初始密度；E为产物内能。

根据计算模型中不同部分材料的性质和尺寸选取不同的状态方程后，即可根据各部分成分组成寻找相同或相似材料的状态方程参数。

JO-9159炸药与LX-10炸药的成分相同，其爆轰产物JWL状态方程的各个参数值见表2[7]；JBO-9X炸药的Ignition and growth模型的各个参数参照PBX9501[11]和PBX9502[12]炸药，以PBX9502炸药作为基本参数，参照PBX9501进行修正，并与激光干涉测速技术获取的波后粒子速度剖面进行对比，见表3；钨合金的GRUNEISEN状态方程参数见表4[13]。

表2　JBO-9X未反应炸药及JBO-9X和JO-9159炸药爆轰产物的状态方程参数

表3　JBO-9X的点火增长模型参数

表4　钨合金的状态方程参数

3.2数值模拟结果分析

将表2~表4的状态方程参数和化学反应率参数带入模型进行计算，结果如图6所示。

图6　受试炸药中不同位置波后粒子速度Fig.6　The particle velocity after shock wavein the tested explosive

由图6可以看出，当以JBO-9X作为主炸药产生的冲击波经过6mm钨合金衰减后作为受试JBO-9X炸药的入射冲击波时，受试JBO-9X炸药在初始入射冲击波后的粒子速度为0.86mm/μs，根据式(1)和式(2)可得入射压力为6.85GPa，冲击转爆轰发生在略大于4号虚拟测试点处，所以冲击到爆轰的距离约为8mm，由于在冲击转爆轰点的波后粒子速度有一定幅度的震荡，所以通过波后粒子速度剖面确定冲击转爆轰点，从而获得精确的冲击转爆轰距离较为困难。

3.3实验结果与模拟结果的对比

受试炸药中的冲击波速度剖面及化学反应比例实验结果和模拟结果对比曲线见图7。由图7(a)可看出，进入受试炸药的冲击波波速为4.22mm/μs，冲击波在受试炸药中传播时，会有部分炸药发生化学分解释放能量，使冲击波强度增大，冲击波速度加快，冲击波强度增加又会造成受试炸药化学反应比例进一步增多，从而形成图7(a)所示9.0~10.5μs冲击波加速段和图7(b)所示0~8mm化学反应比例增加段，直至受试炸药发生稳定爆轰，此时爆轰波速度和化学反应比例趋于稳定。模拟结果与实验结果虽然存在一定误差，但总体趋势相同，说明模拟结果可以正确反映受试炸药冲击波传播的实际物理过程。

图7　受试炸药中冲击波速度剖面实验结果和化学反应比例实验结果与模拟结果的对比曲线Fig.7　Comparison curves of the experimental results and the simulated ones of shock wave velocity profileand chemical reaction ratio in the tested explosive

3结论

(1)实验结果表明，受试JBO-9X炸药在6.9GPa的入射冲击波压力下，冲击到爆轰的距离为7.9mm；冲击波进入受试炸药后，炸药的化学反应比例不断增加，尤其是冲击波进入炸药5mm后，随着冲击波在炸药中运动距离的增加，炸药的化学反应比例快速增加，直至7.9mm处炸药完全爆轰。

(2)模拟结果表明，进入受试JBO-9X炸药的入射冲击波压力为6.85GPa，冲击到爆轰的距离为8.0mm左右；冲击波进入受试炸药后，炸药的化学反应比例不断增加，在冲击波进入炸药约4.5mm后，受试炸药的化学反应比例快速增加，直至8.0mm处，炸药发生完全爆轰，化学反应比例为100%。

(3)实验结果和模拟结果对比说明，通过将高速扫描相机获得的冲击波迹线对时间进行微分得到的冲击波速度-时间曲线，与根据波后粒子速度和雨贡纽曲线拟合得到的冲击波速度-时间曲线吻合较好，冲击波进入受试炸药后的化学反应比例随冲击波位置的变化曲线也吻合较好。

(4)化学反应比例可以作为炸药冲击起爆研究中炸药安定性的指标，该指标可以通过冲击波速度或波后粒子速度经过转化获得。

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Experimental Study on Shock Initiation Process of a New Insensitive High Explosive JBO-9X under High Impact Pressure

ZHANG Tao1, GU Yan1, ZHAO Ji-bo1, HE Hong-liang1, LIU Gao-min1, WU Xing2

(1. Institute of Fluid Physics, China Academy of Engineering Physics, Mianyang Sichuan 621900, China；2. Institute of System Engineering, China Academy of Engineering Physics, Mianyang Sichuan 621900, China)

Abstract:A high-speed scanning camera and wedge-shaped explosive configuration were used to study the shock initiation process of a new insensitive high explosive JBO-9X. The experimental results were numerically simulated and verified by LS-DYNA software. Results show that under the incident shock pressure of 6.9GPa, the time of shock to detonation of JBO-9X is 1.5 μs and the distance of shock to detonation is 7.9mm. When the shock wave just goes into the explosive, the ratio of occurred chemical reaction (λ) is 0.2.With increasing the distance of shock wave entering the explosive, the ratio of the chemical reaction occurred in the tested explosive increases gradually. Under the experimental conditions, when the incident shock pressure is 6.85GPa, the distance of shock to detonation of JBO-9X is 8.0 mm. The growth curve of chemical reaction ratio with the distance of the shock wave entering the explosive is basically the same as the experiment.

Keywords:explosion mechanics; JBO-9X；insensitive high explosive; shock initiation; high-speed scanning camera; chock wave; LS-DYNA software

中图分类号：TJ55；TD235.1+2

文献标志码：A

文章编号：1007-7812(2016)01-0028-06

作者简介:张涛(1988-)，男，硕士研究生，研究实习员，从事爆轰物理研究。E-mail：zhangtao102@caep.cn通讯作者:谷岩(1963-)，男，研究员，从事爆轰物理研究。E-mail: guyan@caep.cn

基金项目:国家安全学术基金(U1230116)

收稿日期:2015-10-13；修回日期:2015-11-12

DOI：10.14077/j.issn.1007-7812.2016.01.004